[发明专利]一种氮掺杂碳/聚苯胺复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂碳/聚苯胺复合材料的制备方法，属于材料合成领域。

技术背景

超级电容器是能够迅速存储电能并且释放电能的元件，它往往拥有循环寿命长、充放电速率快、稳定性高且维护成本低等优势，从而可将其应用在众多能源存储领域。依据工作原理的不同可以将超级电容器划分为两大类：双电层电容器是第一类，赝电容器是第二类。在双电层电容器中，能量主要通过离子在电极-电解液界面的物理吸附这一过程来进行存储。关于赝电容器，能量主要通过超级电容器电极材料发生氧化还原反应来进行存储。

碳材料具备良好的双电层电容，从而可将其用于超级电容器的电极材料。而碳材料中掺杂氧、氮、磷和硫等杂原子可提升其亲水性能，这将更加有利于碳材料表面双电层的构建。此外，杂原子在电能存储和释放过程中可发生氧化还原反应，进而掺杂杂原子的碳材料也具备赝电容特性，因此杂原子的掺杂可进一步地提升碳材料的电容性能。

导电高分子如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等能够通过材料与电解液接触并产生氧化还原反应，在此过程中储存和释放电荷。在产生氧化反应时，离子会从电解液转移到聚合物的骨架中(也称为p型掺杂)。反之，当产生还原反应时，离子会从聚合物分子链上脱出并且再次返回到电解液中(也称为脱掺杂)。然而，循环充放电过程中离子的掺杂/脱掺杂使得聚合物的结构发生膨胀，破裂，收缩而造成电极材料的不断衰减，最终使电极材料丧失氧化还原活性，因而以导电高分子充当超级电容器的电极材料时，需要考虑的问题是稳定性的提高。

以氮原子掺杂碳和聚苯胺的复合材料来作为超级电容器的电极材料，从而提升材料的亲水性和电容性能。聚苯胺是制备氮掺杂碳材料的前驱体，碳材料则起到支撑框架的作用，提高电极材料的机械性能，通过原位聚合法合成氮掺杂碳/聚苯胺复合材料。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种氮掺杂碳/聚苯胺复合材料的制备方法，从而提升比电容性能。

本发明所述一种氮掺杂碳/聚苯胺复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a、制备聚苯胺：将苯胺(0.09M)溶于200mL 1M硫酸溶液作为单体溶液。将过硫酸铵(0.12M)充分溶解到200mL 1M的硫酸溶液中作为氧化剂。将氧化剂缓慢滴加到单体溶液中，滴速控制在每滴4s，滴完后均匀搅拌24h。对反应产物用大量去离子水洗涤至滤液无色，所得到的样品置入烘箱中，在60℃条件下真空干燥24h，制备得到聚苯胺。

b、制备氮掺杂碳材料：将制备得到的聚苯胺置于管式炉中，以氮气为保护气，在高温条件下(750℃)煅烧3h，制备氮掺杂碳材料，研磨成粉末状。

c、制备氮掺杂碳/聚苯胺复合材料：配制50mL包含1.15g过硫酸铵的硫酸(1M)溶液作氧化剂，将氧化剂缓慢滴加到50mL含0.25g氮掺杂碳和0.5g苯胺单体的硫酸(1M)溶液中，滴加速度控制在每滴4s，持续搅拌反应4h。用去离子水反复洗涤产物至滤液无色，在60℃条件下真空干燥24h，制备得到氮掺杂碳/聚苯胺的复合材料。

进一步，步骤a中苯胺浓度为0.05～0.1M，氧化剂缓慢滴加到苯胺单体溶液中，滴速控制在每滴3～4s。。

进一步，步骤b中以氮气为保护气，煅烧温度为600～800℃，煅烧时间2～4h。

进一步，步骤c中持续搅拌反应3～5h，产物用去离子水反复洗涤至滤液无色。

本发明的有益效果是：氮掺杂碳/聚苯胺复合材料制备方法新颖，材料拥有更好的导电性，更小的电极电阻，更好的电容性能，且表现出更好的循环稳定性。

具体实施方式

现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

实施例一:

制备氮掺杂碳/聚苯胺复合材料包括以下几个步骤：

(1)将苯胺(0.09M)溶于200mL 1M硫酸溶液作为单体溶液。将过硫酸铵(0.12M)充分溶解到200mL 1M的硫酸溶液中作为氧化剂。将氧化剂缓慢滴加到单体溶液中，滴速控制在每滴4s，滴完后均匀搅拌24h。对反应产物用大量去离子水洗涤至滤液无色，所得到的样品置入烘箱中，在60℃条件下真空干燥24h，制备得到聚苯胺。

(2)将步骤(1)中制备得到的聚苯胺置于管式炉中，以氮气为保护气，在高温条件下(750℃)煅烧3h，制备氮掺杂碳材料，研磨成粉末状。

(3)配制50mL包含1.15g过硫酸铵的硫酸(1M)溶液作氧化剂，将氧化剂缓慢滴加到50mL含0.25g步骤(2)制备得到的氮掺杂碳和0.5g苯胺单体的硫酸(1M)溶液中，滴加速度控制在每滴4s，持续搅拌反应4h。用去离子水反复洗涤产物至滤液无色，在60℃条件下真空干燥24h，制备得到氮掺杂碳/聚苯胺的复合材料。